復雜地質條件下礦區初始地應力場反演分析

褚吉祥　于慶磊　勒治華　鄭浩田　孫鵬

摘要：初始地應力場是地下工程設計和穩定性分析的重要依據。前常鐵礦礦區地質構造復雜、巷道圍巖破壞嚴重，掌握礦區地應力場的分布規律對了解巷道破壞、進行支護設計具有重要意義。采用三維有限差分數值計算軟件（Flac3D），建立了考慮礦區主要斷層、巖層等的三維數值模型，進行礦區地應力場的模擬，分析了礦區整體、地質構造處和-480 m中段地應力場特征。結果表明：礦區地應力以自重應力為主，分層現象明顯，應力值隨埋深增加而逐漸增大，地質構造和巖性交接帶對地應力的影響十分顯著，出現不同程度的應力集中現象;F1斷層形成的構造應力對-480 m中段主運輸巷道影響相對較大;-480 m中段主運輸巷道側壓力系數為0.46～0.58，最大水平主應力與巷道走向的夾角為2.60°～47.75°，對維持其穩定性不利。為減小地應力場對巷道穩定性的影響，建議礦區地下巷道的布置遵循巷道走向與最大水平主應力方向平行的原則。

關鍵詞：復雜地質構造;地應力場;數值計算;反演分析;主應力方向

中圖分類號：TD325文章編號：1001-1277（2022）01-0054-05

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20220109

基金項目：國家自然科學基金面上項目（52074060）;國家自然科學基金聯合基金項目（U21A20106）

引言

在進行巖體工程設計和穩定性分析時，初始地應力的分布特征是重要的影響因素之一[1]，尤其是在地形、巖體結構、地質構造、地下水和賦存高度等復雜地質環境影響下，巖土工程所處區域的初始地應力場是地下工程變形破壞的重要力源之一[2-3]。利用儀器設備進行原位測試是獲取精確地應力場最直接和最有效的方法，但受到現場條件和經費等諸多因素的影響而不能進行大量的實測，而且地應力場成因復雜，影響因素眾多，測量結果會有一定程度的離散性，對于地質條件復雜的現場，測點的實測結果可能會誤差較大，在某種程度上僅能反映局部應力場[3-4]。因此，為較好滿足工程設計和施工需要，一般都是在工程地質條件的基礎上，通過相應的數值模擬對初始地應力場反演分析，以獲得更為合理、適用范圍更廣的初始地應力場[5-7]。例如：在水電站地下廠房建設中，考慮復雜的地形地貌條件和地質結構特性，采用數值計算方法反演分析地應力場的分布特征，以及給出地下硐室布置建議[8-11];在地質條件復雜的深埋隧道建設中，進行隧址區地應力場的三維數值反演分析，了解巖性和地質結構復雜的長大深埋隧道初始地應力場分布規律，對深埋隧道設計和巖爆預測、防控具有顯著的借鑒意義[12-14];在礦山工程建設中，掌握初始地應力的大小和方向對于判定巷道開挖后巷道圍巖穩定性情況有著重要作用。張宜虎等[15]基于三維數值模擬技術，給出巷道圍巖由拉張裂紋延伸方向確定初始地應力方向的方法;王興旭等[16]對小莊煤礦采用三維應力場反演驗證其實測結果，得到的應力分布規律為礦井動力現象的預測預防奠定了一定基礎。

安徽太平礦業有限公司前常鐵礦（下稱“前常鐵礦”）礦區地層巖性、地質構造復雜。隨著礦山開采，現已探明其中深部賦存豐富的礦石資源，具有巨大的經濟價值。因此，礦山進行了深部開采設計，深部延伸工程采用盲豎井，即淺部明豎井和深部盲豎井聯合開拓方式，在-480 m中段布置主運輸巷道連接明豎井和盲豎井。基建期間，在-480 m中段主運輸巷道施工過程中，支護后巷道兩幫、底部發生較大膨出變形和不同程度的冒頂。-480 m中段主運輸巷道埋深約500 m，并未達到深部開采水平，但礦區斷層較多，可能受斷層影響地應力場發生了變化?；诖?，本文考慮礦區復雜地層巖性、地質構造、巖體自重等多重因素，采用三維有限差分數值計算軟件（Flac3D），建立礦區數值模型，分析礦區初始地應力分布規律，研究結果對-480 m中段主運輸巷道和礦區井下其他工程布置具有重要的指導意義。

1 工程地質概況

1.1地層巖性

前常鐵礦礦區內鉆孔揭露地層主要為上寒武統，次為中寒武統，少量下奧陶統，地表全部為第四系覆蓋，無巖石出露。上寒武統崮山組、上寒武統長山組和上寒武統鳳山組，均分布在背斜兩翼，與下覆地層為整合接觸;3組地層的厚度分別為60 m、60 m和130 m，且上寒武統鳳山組為最主要的控礦層位;3組地層的巖性主要為鮞狀白云質（白云石）大理巖、條帶狀白云質（白云石）大理巖，以及蝕變后局部的尖晶石、鎂桿石大理巖。中寒武統徐莊組和中寒武統張夏組分別分布在F1斷層下盤和背斜的西翼，地層厚度分別為63 m和73 m，主要為大理巖類，中寒武統徐莊組的下部為薄層狀灰綠色、暗紫色粉砂質頁巖、鈣質細砂巖、大理巖化鮞狀灰巖互層。下奧陶統蕭縣組多呈捕虜體產出，主要為大理巖類。第四系覆蓋層主要為黏土、砂土、細砂、砂礫石，其中黏土層最厚10.27 m，砂層最厚38 m。礦區內工程地質巖組可分為巖漿巖類地質巖組、矽卡巖類地質巖組、大理巖類地質巖組和新生界松散巖類地質巖組，巖體完整性差。

1.2地質構造

礦區三維地質圖如圖1所示。礦區內有2個向斜，即李莊向斜和前常向斜，它們同屬于皇藏峪復背斜南部傾沒端東翼的次一級向斜構造。李莊向斜為一似盆狀稍向東傾伏的向斜，長900 m，寬550 m，面積約0.5 km2，軸向呈北東—南西，傾角一般在10°～20°，僅邊緣局部較陡，約30°～40°。前常向斜位于李莊向斜的東南側，長400 m，寬250 m，面積約0.1 km2，軸向呈北西—南東，傾角平緩，10°左右。由于巖漿巖侵入，吞蝕破壞，使組成向斜的巖層支離破碎，殘缺不全，也造成向斜不完整。

礦區內斷層活動主要表現為成礦前的擠壓破碎作用及成礦后的斷層，主要有9條斷層。其中，F、F和F均為正斷層，裂隙微發育、膠結較好，巖石較為完整;F、F和F均為逆斷層，F和F斷層寬1～8 m，膠結差，多被方解石充填或半充填，斷層上下巖溶發育，多為溶孔、溶蝕裂隙，斷面有鐵染，F斷層沒有明顯的破碎帶，裂隙微發育，巖石完整;F和F斷層寬75～250 m，巖石呈松、軟、碎特征;F9斷層破碎帶被方解石脈充填膠結，上部膠結較密實，下部巖心呈松散狀。對采礦作業有影響的主要是工程地質條件相對較差的F、F、F和F斷層（如圖1所示）。因此，本文在分析前常鐵礦礦區初始地應力場反演時僅考慮上述4條斷層的影響，各個斷層主要產狀如表1所示。

2 初始地應力場反演分析

2.1數值模型與巖體力學參數

1）模型建立：根據礦體向下延伸可達-900 m和地表水平29 m，設定的鉛直方向高度為-1 100～29 m?？紤]正斷層F和F、逆斷層F和F的影響，將建立好的斷層曲面模型導入Rhino內，首先建立三維實體模型;然后運用“布爾運算分割”命令，用斷層曲面分割三維空間實體，生成如圖2所示的礦區主要地層三維計算模型（已隱藏第四系）。模型長×寬=1 743 m×1 400 m，地表高程為29 m，底面高程為-1 100 m;y軸正方向為正北方向。

2）計算方法與網格劃分：采用三維有限差分計算方法和各向同性材料的Mohr-Coulomb模型進行地應力場模擬計算;整個模型采用四面體單元，共618 487個單元，110 051個節點。

3）邊界條件：模型邊界條件設置為上表面自由，其他各面約束，僅考慮重力作用，重力加速度為-9.8 m/s2，模型巖體力學參數如表2所示。

2.2地應力場反演結果

2.2.1初始地應力大小

本文給出了礦區三維整體應力場、沿F1斷層剖面應力場、-480 m中段應力場分析結果。礦區三維整體應力場如圖3所示，整個礦區最大主應力表現為壓應力，大小為0.07～52.13 MPa，地應力分層現象明顯，應力值隨埋深增加而逐漸增大，且斷層和巖性交接對地應力的影響十分顯著，在斷層的兩端和不同巖性接觸面附近主應力出現了不同程度的應力集中，即地質構造明顯影響巖體初始應力狀態的分布，地質構造復雜、巖性差別大的部位，地應力場分布狀態也比較復雜。

F斷層剖面應力分布結果如圖4所示，相比較于上述其他位置處的應力值較高，表明斷層處有應力集中現象。-480 m中段應力場分布如圖5所示，其最大主應力為7.4～15.3 MPa，最小主應力為2.5～6.8 MPa，同一水平應力變化值較大;且-480 m中段應力場受F、F和F斷層影響，斷層附近應力集中現象明顯，表明斷層和巖性對地應力影響較大;同時-480 m中段主運輸巷道穿過F斷層，構造應力對主運輸巷道影響相對較大。

2.2.2初始地應力方向

礦區地應力方向對巷道的布置與支護有重要影響。-480 m中段水平主應力矢量圖如圖6所示，無法細致的掌握-480 m中段各位置處最大水平主應力方向，以及其與-480 m中段主運輸巷道走向的夾角。因此，沿-480 m中段主運輸巷道選取-480 m中段主井、-480 m中段泄水硐室、-480 m中段主運輸巷道與F1斷層交接處、-480 m中段主運輸巷道新老巷道交接處、-480 m中段新掘巷道和-480 m中段新風井位置共6處地應力數據進行處理，各測點位置如圖6所示。將每個測點的6個應力分量組成3×3矩陣，利用MATLAB軟件計算矩陣的特征值和特征向量，特征值即為每個測點處的主應力值，特征向量為每個主應力對應的方向向量。

-480 m中段主運輸巷道各測點地應力場反演結果如表3所示。由表3可知：最大水平主應力（σ）為 -6.3～-6.7 MPa，最小水平主應力（σ）為-5.3～-5.6 MPa，垂直主應力（σ）為-11.0～-14.5 MPa，且各個測點均滿足σ<σ，最大水平主應力與垂直主應力的比值為0.46～0.59，均小于1，說明該區域受自重影響強烈，自重應力場對地應力場起控制作用，地應力以自重應力為主，屬于自重應力場類型。通過計算各測點最大水平主應力的方位角，得到的最大水平主應力與-480 m中段主運輸巷道走向夾角為2.60°～47.75°。

當巷道走向與最大水平主應力平行時，受水平應力影響最小，對頂、底板和兩幫的穩定最有利。當巷道走向與最大水平主應力垂直時，受水平應力影響最大，對頂、底板和兩幫的穩定最為不利。與最大水平主應力以一定角度斜交的巷道，巷道一側出現應力集中而另一側應力釋放，因而頂、底板的變形破壞會偏向巷道的某一側。因此，巷道布置時要注意巷道走向與最大水平主應力方向的夾角，盡量使該夾角等于或接近0°，以減小最大水平主應力對巷道穩定性的影響。

3結論與建議

1）前常鐵礦礦區地應力隨埋深增大而逐漸增大，地應力場類型為自重應力場，即垂直應力大于水平應力。

2）礦區地應力在斷層和巖性交接處出現應力集中，地應力場分布較復雜。地質構造明顯影響巖體初始應力的分布狀態，地質構造復雜、巖性差別大的區域，地應力場分布狀態也比較復雜。

3）-480 m中段主運輸巷道側壓力系數為0.46～0.59，最大水平主應力與-480 m中段主運輸巷道走向夾角為2.60°～47.75°，對維持-480 m中段主運輸巷道穩定性較為不利，建議-480 m中段主運輸巷道未貫穿部分及其他巷道的布置遵循巷道走向與最大水平主應力方向平行，以減小最大水平主應力對巷道穩定性的影響。

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作者簡介：褚吉祥（1987—），男，吉林敦化人，工程師，從事金屬礦山開采技術和工藝優化等工作;安徽省淮北市濉溪縣四鋪鎮三鋪村，安徽太平礦業有限公司，235115;E-mail：394860570@qq.com

褚吉祥，于慶磊，勒治華，鄭浩田，孫鵬（1.安徽太平礦業有限公司; 2.東北大學巖石破裂與失穩研究所）

Back analysis of initial geostress field of mining areas under complex geological conditionsChu Jixiang，Yu Qinglei，Le Zhihua，Zheng Haotian，Sun Peng

（1.Anhui Taiping Mining Co.，Ltd.;

2.Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University）

Abstract：Initial geostress field is very important reference for engineering design and stability analysis of underground engineering.The geological structures are complex，and the roadway surrounding rocks are damaged seriously in Qianchang Iron Mine mining area.So，it is important to master the distribution rules of the geostress field in the mining area for better understanding of roadway failure and supporting design.3D numerical model taking into account the main fault and strata in the mining area is established by using the threedimensional finite difference numerical calculation software （Flac3D），and simulates the geostress field in the mining area，analyzes the geostress characteristics in the whole mining area，geotectonic locations and the -480 m level.The results show that the geostress in the mining area is dominated by gravity stress and the stratification phenomenon of geostress is obvious and the value gradually increases with depth，the geostress is affected so seriously at the junction of geological structures and lithology that stress concentration phenomena of different degrees occur;the tectonic stress of F1 fault has relatively great influence on -480 m level main haulage way;the lateral pressure coefficient of -480 m level main haulage way is 0.46-0.58，the angle between the maximum horizontal principal stress and the direction of the roadway is 2.60°-47.75°，which is unfavorable to maintain stability.In order to reduce the influence of geostress field on the stability of roadway，it is suggested that the layout of underground roadway should follow the principle that the direction of roadway is parallel to the direction of maximum horizontal principal stress.

Keywords：complex geological structure;geostress field;numerical calculation;back analysis;principal stress direction